[发明专利]基于扇区载荷的风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算方法及产品

说明书

本公开提供了一种基于扇区载荷的风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算方法及产品，根据风场内各机位风速扇区分布情况，划分多个风速扇区，并获取每个扇区内风速威布尔分布特征和风资源关键参数；获得风电机组运行至不同扇区时塔筒焊缝所承受的时序疲劳载荷谱；在每个扇区载荷作用下，计算塔筒相同高度横截面上不同焊缝点的弯曲正应力；结合钢制塔筒焊缝应力‑疲劳寿命曲线，利用雨流计数法计算每个扇区载荷作用下的塔筒相同高度横截面上不同焊缝点的疲劳损伤，并采用疲劳损伤叠加原理，对每个扇区载荷作用下的焊缝点疲劳损伤进行累积，计算得到塔筒不同焊缝点总的疲劳损伤值。本公开能够提高风电机组运行的可靠性。

技术领域

本公开属于风电机组疲劳损伤计算领域，具体涉及一种基于扇区载荷的风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算方法及产品。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

塔架作为风电机组的支撑结构，具有生产周期短、可根据风场载荷定制化设计的特点，一直以来都是风电行业进行降本研究的重点。风电机组塔架结构型式主要有圆筒式、桁架式等，按照材料类型又可划分为纯钢式、混凝土式等，其中，钢制圆筒式塔架作为主流技术被国内外风电企业大量采用。根据发明人了解，当前针对风电机组钢制塔筒的设计方法主要依据GL2010、GB50017、Eurocode3、DIN、VDI2230等标准和规范，采用工程算法和有限元方法相结合的方式对塔筒焊缝、屈曲稳定性、连接法兰和螺栓、以及塔筒门段的极限和疲劳强度进行分析。其中，钢制塔筒焊缝的厚度是直接影响塔筒重量的关键设计因素之一，塔筒焊缝强度受风电机组疲劳载荷影响较大，因此，如何准确评估钢制塔筒焊缝疲劳强度是当前风电行业研究热点之一。

风场风资源分布具有在时间和空间上变化的特点，当风电机组在风场中运行时，一般采用主动偏航对风控制的方式以达到捕捉更多风能的目的。由于来流风方向的变化，导致机组绕塔筒中心线偏航角度不同。根据材料力学弯曲应力计算公式推导，由于距离中性轴的距离不同，风轮受载后传递到塔筒相同高度横截面上不同焊缝点的载荷不同，钢制塔筒横截面受力如图1所示。如果采用相同的载荷对塔筒相同高度横截面上不同焊缝点进行疲劳强度分析，则会导致焊缝冗余设计，进而导致塔筒保守设计，塔筒重量增加。根据发明人的了解，目前尚没有考虑由于风电机组偏航对风导致的不同扇区载荷对塔筒焊缝疲劳损伤计算的影响。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种基于扇区载荷的风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算方法及产品，本公开在风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算时考虑不同扇区载荷导致的塔筒相同高度横截面上不同焊缝点受载不同的特点，一方面能够避免采用常规计算方法的保守设计导致的塔筒重量增加问题；另一方面可以寻找出钢制塔筒焊缝最薄弱的区域，从而提高风电机组运行的可靠性。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种基于扇区载荷的风电机组塔筒焊缝疲劳损伤计算方法，包括以下步骤：

根据风场内各机位风速扇区分布情况，划分多个风速扇区，并获取每个扇区内风速威布尔分布特征和风资源关键参数；

获得风电机组运行至不同扇区时塔筒焊缝所承受的时序疲劳载荷谱；

在每个扇区载荷作用下，计算塔筒相同高度横截面上不同焊缝点的弯曲正应力；

结合钢制塔筒焊缝应力-疲劳寿命曲线，利用雨流计数法计算每个扇区载荷作用下的塔筒相同高度横截面上不同焊缝点的疲劳损伤，并采用疲劳损伤叠加原理，对每个扇区载荷作用下的焊缝点疲劳损伤进行累积，计算得到塔筒不同焊缝点总的疲劳损伤值。

作为具体的应用之一，根据计算出的塔筒各个焊缝点总的疲劳损伤值，确定钢制塔筒焊缝最薄弱的区域，对此区域进行加强或者修护，以保证风电机组运行的可靠性。

作为可能的实施方案，风速扇区划分方式为，处于风场内某一机位的风电机组轮毂中心高度处沿偏航运行方向进行划分，根据划分的总数量，均分每个扇区角度范围。